پایان نامه بررسی تکنولوژی نساجی الکترواسپینینگ
مقدمه:
نانو تیوب های کربنی (CNTS) مواد جدیدی هستند که در ابتدا کشف شدند و توسط دانشمندان ژاپنی یعنی سومیو گزارش شدند . آنها ساختارهای وابسته به ترکیب سیلندرهای گرافیکی را بررسی کردند که به طور نزدیکی در ارتباط با پایانه های کلاهها یا کاپ های شامل حلقه های پنج ضلعی بودند و از نظر هندسی , می توانند همانند یک صفحه گرافیکی (یک شبکه شش وجهی کربن – استوانه بدون خط یا شیار) بچرخند همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است .
بر اساس تعداد دیواره ها , نانو تیوب ها می تواند بر 2 فهرست اصلی طبقه بندی شود :
نانو تیوب های دارای دیواره واحد (SWNTS) و نانو تیوب های چند دیواره ای (NWNTS) شکل 2 .که با توجه خواص مستثنی آنها در چندین ناحیه کاربردی حیاتی به کار می روند . نظیر وسایل نانو الکتریکی , مواد ساختاری نانو مقیاسی , پروب های بیولوژیکی , تولید سنسورهای حرکت دهندها , الیاف کاربردی نساجی ،الکترودهای سلول سوختی , ابر خازن ها و وسایل تابش میدان .
پیش از کشف نانو تیوب ها , هیچ ماده دیگری برای ترکیب واحد خواص فوق معمولی شناخته نشده بود . آنها اثبات کردند که سخت ترین , قویترین و محکم ترین الیافی هستندکه تا کنون شناخته نشده اند .
مقادیر قدرت کششی برای هر ماده متفاوتاست . روش های آقای یانگ در زمینه الاستیکی SWNTS محدود به TPA و حداکثر قدرت کششی بود که محدود می شد به GPA 30 .
قدرت کششی خاص ارزیابی شده لایه واحد MWNT می تواند به بالایی 100 برابر فولاد باشد و صفحه گرافیک به سختی الماس، در نوع پایین می باشد . بنابراین با توجه به ساختار مولکولی آنها , اساساً فاقد نقص هستند . هدایت الکتریکی پایدار آنها با چگالی های معمولی , بزرگتر از
می باشد که هدایت الکتریکی بالیتیک برای MWNTS وجود دارد . رسانایی گرمایی CNTS دو بار مشاهده شد که یکی الماس می باشدکه تا زمان کشف CNTS بهترین رسانایی گرما بود .مقدار رسانایی گرمایی بدست آمده برای یک CNT بدون نقص به طور بالایی برابر cmk / w 9/28 بود که بزرگتر از مواد معمولی بود . اگر چه CNT دامنه گسترده ای از خواص غیر معمولی را دارا بود ولی آنها اساساً در سطح نانو مقیاسی وجود داشتند . بنابراین , با توجه به قدرت استفاده از CNTS و خواص آنها در کاربردهای جهان واقعی , روش های معین یا روش هایی باید به آشکار سازی خواص این نانو ساختارها در سطوح ماکروسکوپی کمک کند که موردنیاز هستند . فعالیت تحقیقی چشمگیری در این ناحیه انجام شد که تلاش برای استفاده از روش های استاندارد بود که می تواند این کار را پوشش دهد . با توجه به همین دلیل , کامپوزیت هایی بر اساس CNTS می باشد . برخی از فعالیت های گذشته که در این ناحیه انجام شد شامل CNTS در یک تنوع پلیمری بود که توسط روش های مختلف انجام شد که منجر به آشکار سازی برخی از خواص نانو تیوب ها نسبت به کامپوزیت ها بود .
در MWNT کامپوزیت های اپوکس قوی با استفاده از فرایند میکروساخت , شناخته شدندکه منجر به یک افزایش %20 در مدول های الاستیکی لایه کامپوزیت در مقایسه با لایه های رزین بود . در کامپوزیت های SWNTS و پلیمر (پلی – 3 اکتیل تیوفن یا T 30 P) تولید شده از طریق قالب گیری مخلوط نانو تیوب / پلیمر , در کلروفورم حل شدند . خواص الکتریکی کامپوریت ثابت کرد که تقریباً تا 5 بار خاصیت مغناطیسی در سطوح رسانایی , علاوه بر CNTS افزایش یافت . ارزیابی های الکتریکی نشان می دهد که انتقال عایق – به – رسانا برای غلظت های CNT بین 5/0 تا %WT 1 اتفاق می افتد . در آزمایشات از یک روش دلمه شدگی برای القاء پراکنش SWNTS در ماتریس پلیمر استفاده می گرددکه در جهت تولید کامپوزیت های تPMMA پلی مقیل متا اکریلات / SWNT می باشد . بنابراین خاصیت کامیوزیت های تشکیل شده ثابت می کند که یک افزاش چشمگیر در مدول های الاستیکی , رسانایی الکتریکی و پایداری گرمایی منجر به اضافه شدن SWNTS می شود . که کامپوزیت های PMMA – CNT بوسیله اولین نانو تیوب ها در ماتریس پلیمر ایجاد شدندکه بوسیله روش مخلوط پودر خشک بود و استفاده بعدی از این تکنیک پلیمری سبب تولید نانو تیوب های خوب تنظیم شده و خوب پخش شده می گردد .
جدیداً یک تکنیک پلیمریزاسیون بجا و مناسب برای ساخت نانو کامپوزیت های پلی پیرول – نانو تیوپ استفاده می شود که یک افزایش در رسانایی الکتریکی را اثبات می کند و این ثبات گرمایی در مقایسه با پلی پیرول بود . در کامپوزیت ها یMWNT / پلی استیرن که با استفاده از انرژی اولتراسونیک ساخته شدند . سبب پراکنده شدن نانو تیوب ها (نانو لوله ها ) در حلال شده و سبب آمیختن آنها با کامپوزیت می شود . محلو های پلی استیرن شامل MWNTS بود که سپس بصورت لایه نازک کامپوزیت درآمد . محلول های پلی استیرن شامل MWNTS بود که سپس بصورت لایه نازک کامپوزیت های MWNT رشته می شود . از یک میکرو مقیاس با یک جفت پیچ که به عنوان یک پرتاب کننده برای پاشاندن MWNTS در ماتریس پلی استیرن بکار می رود استفاده می کنندو سبب تولید بعدی لایه های نانو کامپوزیتی با تنظیم بالا می شود که بوسیله پرتاب کننده (خارج کننده) محلول پلیمر / CNT از طریق یک قاب مستطیلیو کشیدن لایه پیش از خنک شدن انجام می شود . علاوه بر این به طور تصادفی , لایه تطبیق یافته با استفاده از فشار هیدرولیک تولید می شود . در مطالعه کنونی , کامپوزیت هایی بر اساس نانو تیوب با استفاده از یک تکنیک الکترواسپینی ساخته می شوند و پتانسیل آنها جهت گسترش تولید بعدی الیاف کاربردی همراه با توانایی حسی مورد مطالعه قرار میگیرد . کامپوزیت ها با استفاده از آزمایشات ارتعاش ساختاری مشخص شدند که قادر به ارزیابی عملکرد حسی این کامپوزیت های جدید می باشد و بنابراین می توان توانایی آنها را در جهت فعالیت به عنوان نسل بعدی سنسورهای ساختاری پیش بینی می کند . روش ها و موادی که برای ساخت کامپوزیت های بر اساس CNT مورد استفاده قرار می گیرد , تکنیک های خاصی هستند که عملکرد حسی این نوع راتخمین می زنند و نتایج حاصل از این آزمایشات مورد بحث قرار می گیرد . ثابت شده است که علاوه بر آن CNTS در محلول پلیمری منجر به افزایش چشمگیر در توانایی حسی این گونه از سنسورهای می گردد .
این چنین تغییر معکوس و مستقیم انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی می تواند سبب ایجاد زمینه ای برای گسترش نسل بعدی بافته های جالب همراه با کاربردهای شان در ساختار غشاء ی , مدولاسیون شکل توزیع شده و بهره برداری از انرژی گردد .
الکترواسپینینگ :
در طی دهد گذشته , محققان سعی کردند که استفاده از خواص نانو تیوب ها را در کاربردهای جهان واقعی مشخص سازند , که عبارت است از وجود خواص نانو لوله ای در سطوح ماکروسکوپی .
در مطالعه کنونی , تکنیکی به نام الکتروسپینی نامیده می شود برای ساخت کامپوزیت های پلیمر / نانو لوله بکار می رود که برای اثبات افزایش معین یا خواص جدید مورد انتظار است که ممکن است سبب کاربردی های جدیدی در نواحی حیاتی گردد . فرایند الکترواسپینی در سال 1930 اختراع شد , که یک فرایند الکتروستاتیک می باشد که بطور گسترده ای برای رشته های پلیمرهای فراوان مورد استفاده قرار می گیرد .
با توجه به توانایی آنها در تولید رشته های غیر معمول با قطر های کوچک , آن دارای پتانسیل یکپارچگی موثر نانو لوله ها با پلیمرها می باشد . نمای شماتیکی از فعالیت اصلی فرایند الکترواسپینی در شکل 3 نشان داده شده است . اساساً آن شامل برق DC می باشد که برای تولید ولتاژهای بالا (کیلو ولت ها ) بین محلول پلیمر مورد استفاده قرار می گیرد . که به داخل رشته ها کشیده می شود و در صفحه جمع کننده تجمع می یابد . محلول در یک سرنگ بوسیله پمپ سرنگ پر می شود که سبب ورود محلول پلیمری به لوله باریک می باشد که در یک انتها تجمع می یابد
از نظر تایپیک , سرنگ بوسیله، پمپ سرنگ پر می شود که سبب ورود محلول پلیمری به لوله باریک در یک میزان جریان خاص می گردد . این فرایند بوسیله پمپ شدن محلول پلیمری به انتهای لوله باریک آغاز می گردد که آن دارای اشکال آویزی کوچک یا دارای سطوح شبه کروی کوچک می باشد. سپس یک ولتاژ بالا بین محلول پلیمر و صفحه جمع کننده ایجاد می شود که در فاصله معینی از لوله باریک قرار می گیرد .
نیروهای الکتروستاتیکی در نتیجه این میدان الکتریکی ایجاد می شوند که سبب فعالیت در برابر کشش سطحی و ویسکوزیته محلول می گردد . بنابراین سبب انتقال این شکل شبه آویز از محلول به شکل مخروطی می گردد که تحت عنوان “مخروط تایلور” خوانده می شود .
تحت تاثیر نیروهای الکتروستاتیکی بیشتر , محلول پلیمری سبب تشکیل مخروط تایلور می گردد که به سمت صفحه تجمع کننده حرکت می کند و در نهایت بر روی آن رسوب می کند . رسوب پیوسته این چنین رشته هایی بر روی صفحه تجمع میکنندکه منجر به تشکیل الیاف غیر پیچ خورده می گردد که در مقایسه نسبت سطح به حجم دارای سطح بالا می باشند .
مواد و روش ها :
فرایند کامل رشته های کامپوزیتی با استفاده از تکنیک الکترواسپینی می تواند به 2 مرحله اصلی زیر تقسیم شود :
آماده سازی محلول پلیمر / CNT
الکترواسپینی محلول پلیمر به تولید الیاف
آماده سازی محلول پلیمر/CNT :
پلی ونییل داین دی فلوئورید به عنوان یک PVDF است که یک پلیمر پیزوالکتریک مشهور می باشد . در همه آزمایشات , کوپلیمر PVDF , پلی وینیل داین دی فلورید , تری فلوئورواتیلن , به عنوان یک (Vdf – Rrfe)P مورد استفاده قرار می گیرد که منجر به پایداری گرمایی بالا می گردد . و دارای خواص پیزو الکتریک می باشد که برای کاربردهای حسی ایده آل است .
کوپلیمر شاملPCvdf – Trfe / WT 35 / 65 است که از مخلوط KTech بدست آمده است . فرایند آماده سازی محلول کامپوزیت شامل CNTS داخل پلیمر پراکنده می شود که دارای یک الکترواسپینی بعدی در داخل الیاف غیر پیچ خورده می باشدکه به 3 فرایند تقسیم شود .
1) پراکنش نانو تیوب ها :
این فاز شامل انحلال / پراکنش CNTS در حلال می باشد (در این حالت , N , N دی میتل فورمامیدین) (DMF) و سبب باز شدن پیچش نانو تیوب ها می گردد که از نظر تیپیک با یکدیگر و به شکل غده می باشند , که برای پردازش آن را بسیار متفاوت می سازد . برای این هدف , کیفیت معینی از نانو تیوب ها به مقدار خاص محلول DM4 اضافه می شود که دارای یک تعادل وزنی است (مطابق با حفظ میزان وزن خاص نانو تیوب هادر محلول) ودارای خلوص % 9 / 99 بودند و قطرشان حدود NM 10 بود . این محلول با استفاده از یک ایجاد کننده اصوات پروب مکانیکی تحت امواج صوتی قرار گرفت . که قادر به ارتعاش در فرکانس های اولتراسونیکی بود , و سبب القاء یک پراکنش موثر نانو تیوب ها گردید . برای آزمایشات کنونی , محلول های CNT مختلف آماده شدند (شامل CNTS در میزان وزنهای مختلف) :
1- 01/0 % WT CNTS , شامل g CNTS 001/0 در محلول DMF ml 10
2- CNTS % WT 035/0 , شامل CNTS g 002/0 در mr 10 محلول DMF
3- CNTS % WT 035/0 , شامل g 0035/0 CNTS در ml 10 محلول DMF
4- % WT 05/0 CNTS , شامل g 005/0 CNTS در ml 10 محلول DMF
این درصد ها نانو تیوب بر اساس تحقیقات گذشته انتخاب شدند.
2) انحلال پلیمر :
این مرحله شامل انحلال پلیمر در یک حلال آلی مناسب (DMF) می شود .
مقدار خاص پلیمر (در این حالت , g 2) با استفاده از یک تعادل وزنی به کیفیت معینی از حلال آلی اضافه می شود (ml 6 از DMF) بنابراین سبب حفظ میزان وزن پلیمر مورد نیاز می شود . این مخلوط در بطری سر بسته حفظ می گردد (برای ممانعت ازتبخیر DMF) که این بخاطر تاخیر زمانی است تا هنگامی که پلیمر به صورت یکپارچه در حلال حل شود .
3) مخلوط پلیمر و محلول نانو تیوب :
این مرحله عبارت است از مرحله نهایی در فرایند آماده ساز ی و اساساً شامل مخلوط محلول های آماده شده در مراحل اول و دوم می باشد . که برای تشکیل محلول شامل مخلوط خوبی از نانوتیوب ها در پلیمر می شود .
الکترواسپینی محلول پلیمر :
بنابراین محلول پلیمر / CNT , آماده می شود و هم اکنون برای تشکیل رشته ها با استفاده از تکنیک الکترواسپینی تحت پردازش قرار می گیرد . برای این هدف , محلول پلیمر آماده شده داخل سرنگ تزریق می شود که شامل سوزن نازکی می گردد که به انتها وصل می گردد . سپس به طور تجمعی در پمپ سرنگ قرار می گیرد . که برای پمپ محلول پلیمر / CNT به لبه سوزن استفاده می شود که سبب تشکیل شکل شبه کروی می گردد . با توجه به این نکته , ولتاژ قوی DC به محلول پلیمری وارد می شود که با استفاده از برق با ولتاژ بالای DC می باشد (ولتاژ بالای گلاسمن , که می تواند تا kv 85 درma 5/3 تولید گردد) که بوسیله تماس الکتریکی با سوزن فلزی و بر روی صفحه تجمع کننده ایجاد می شود که در فاصله معینی از لبه سوزن حفظ می شود . مطابق با اصل فرایند الکتروسپینی شرح داده شده این رشته ها بر روی صفحه زمینه رسوب می کنند که سبب تشکیل الیاف غیر پیچ خورده کامپوزیت نانو تیوبی می گردد . انواع الیاف کامپوزیتی غیر پیچ خورده بوسیله محلول پلیمری خالص الکتروسپینی ساخته می شود که همراه با یکپارچگی CNTS در آنها می باشد . جدول 1 نشان دهنده جزئیات پارامترهای شامل فرایند الکترواسپینی می شود . مسافت بین نوک سوزن و الکترود زمینه در cm7 حفظ می شود و ولتاژ بالای kv 20 بین سوزن و صفحه زمینه ایجاد می گردد . فرایند الکترواسپینی برای مدت معینی ادامه می یابد تا ضخامت مورد نیاز الیاف غیر پیچ خورده حاصل شود .
در همه آزمایشات , لایه الکترواسپینی دارای ضخامت می باشد که با استفاده از یک میکرومتر پیچی مورد ارزیابی قرار گرفت که دارای ظرافت می باشد . شکل 4 تصاویر SEM رشته ها را نشان می دهد (با دامنه قطر : nm 500 الی) که تحت شرایط موجود در جدول 1 می باشد .
پردازش و ویژگی سنسورهای بر اساسCNT :
همانطور که ذکر شد , پلیمری که به الیاف نازک رشته می شود دارای خواص پیزو الکتریکی است بنابراین نیاز به پردازش بیشتر دارد و برای لمس این گونه مواد مورد استفاده قرار می گیرد.
پردازش الیاف غیر پیچ خورده آمده از الکترواسپینی :
به طور معمولی , مواد پیزو الکتریک در جهت پردازش قطبیت بکار می روند که شامل کاربرد ولتاژ بالا در الکترود می گردد . اساساً کاربرد ولتاژهای بالا منجر به تنظیم دو قطبی موجود در مواد می گردد که همراه با درجه تنظیم مغناطیسی میدان الکتریکی می باشد . جابجایی میدان الکتریکی در پایان پردازش قطبیت سبب فقدان جزء ی درتنظیم دو قطبی ها می گردد . اگر چه در قطبی ها تنظیم می گردند و خواص پیزوالکتریکی به مواد القاء می گردد. این خواص پیزوالکتریکی رشته منجر به تولید ولتاژ در عرض الکترود می گردد که با هدف نوع مکانیکی صورت می گیرد . سنسورهای ساخته شده در شکل 5 نشان داده شده است . با توجه به قطبیت لایه های نازک بدست آمده از فرایند الکترواسپینی , آنها با تماس نوارهای مسی بصورت الکترود در می آید که سیم هایی به آنها متصل گردیده است .
در نتیجه برق با ولتاژ بالا (EMCO) , قادر به تولید kv 2 می باشد . این پردازش قطبیت برای 4 الی 5 ساعت به طول می انجامد که لایه های گسترده قادر به پاسخ به نوع مکانیکی با تولید اختلاف پتانسیل بین صفحات الکترودی شان می باشد .
خاصیت الیاف غیر پیچ خورده بدست آمده از الکترواسپینی :
بنابراین , سنسورها , ساخته می شوند وتحت پردازش قرار می گیرند که با هدف فرایند آزمایش مطابق با خواص آن انجام می شود و تاثیر اضافی CNTS بر روی عملکرد حسی این گونه مورد مطالعه قرار می گیرد .
شکل 6 فرایند آزمایش را نشان می دهدکه شامل PZT می شود که به عنوان یک شاهنگ یا تیر مورد استفاده قرار می گیرد . (پیکر بندی دو شکلی) لایه های الکترواسپینی نسبتاً به PZT متصل می شوند که بوسیله لایه بسیار نازک از اپوکسی دنبال می شود و بوسیله پردازش رزین انجام می شود که برای 2 ساعت به طول می انجامد .
مجموعه آزمایش شامل PC می شد که با استفاده از یک صفحه DSP (DS1104 ) از Dspace انجام شد . با استفاده از نرم افزار مطلب , ارتباط با مجموعه آزمایشی برقرار شد این کنترل با صفحات تجهیزاتی , مجهز می شد که سبب کنترل سخت افزاری می گردید و همچنین سبب فراهم آوردن داده ها می شد . یک صفحه اتصال دهنده شامل کانال های d / a و A / D بود که برای دریافت سیگنالها به صفحه و از صفحه مورد استفاده قرار میگرفت .
تقویت کننده برق همراه با v / 307 برای بکار انداختن PZT از صفحه DSP مورد استفاده قرار گرفت که محدود به حداکثر فرستادن / دریافت کردن V 10 ± می شد .
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.